STT Tên Khối Hình Ảnh 1 Tính tốn (Gain) 2 Hiển thị (Scope) 3 Tích phân (Integrator) 4 Đạo hàm (Derivative) 5 Giảm nhiễu (Measurement)
5.2. Phương pháp tính tốn cho q trình mơ phỏng
5.2.1. Phương pháp tính tốn
Như đã tính tốn ở chương 5 ta cĩ:
- Hành trình di chuyển của trục vít H = 10cm. - Thời gian phun t =1s.
- Tỉ số truyền của bộ truyền đai răng là U = 3. - Bước răng của vít me bi-đai ốc Ph = 12mm. - Gọi θ1 là gĩc quay của trục động cơ.
- Gọi θ2 là gĩc quay của vít me bi quay để đẩy trục vít đi về phía trước 10cm. - Gọi ω1 là tốc độ quay của trục động cơ (rpm)
- Gọi ω2 là tốc độ quay của trục vít me bi – đai ốc (rpm) - Gọi V là vận tốc phun dài của trục vít.
Ta nhận thấy rằng mối quan hệ giữa gĩc quay của trục vít me – đai ốc so với hành trình di chuyển dài của trục vít phun như sau:
h 2 P H . 2 (5.1) 2 h 2 .H 2 .0,1 52, 4(rad) P 0,012
Mặt khác, ta cũng cĩ mối quan hệ giữa tốc độ quay của vít me bi – đai ốc ω2 và gĩc quay θ2 như sau:
2 2 d (rad / s) dt (5.2) Ta xét trong khoảng thời gian phun là 1 giây thì 2 52, 4(rad s/ )500(rpm)
Tiếp tục xét đến bộ truyền đai răng nối giữa bánh đai của trục động cơ và bánh đai của trục vít me bi – đai ốc.
Ta cĩ mối quan hệ như sau:
1 u. 2(rpm)
(rpm) (5.3)
Vậy 1 3.5001500(rpm)
Vận tốc phun dài của trục vít phun được tính theo cơng thức sau: dH
V (m / s) dt
(5.4)
Đây là đạo hàm của hành trình phun mà trục vít đi được trong khoảng thời gian xét. Từ các cơng thức tính tốn trên ta xây dựng được mơ hình như sau:
5.2.2. Các giá trị đáp ứng theo tính tốn
Về nguyên lý cấu tạo thì động cơ servo bao gồm hai phần, phần điện và phần cơ. Trong đĩ tín hiệu vào của động cơ là điện áp (V) và tín hiệu đầu ra là gĩc quay của trục động cơ (deg).
Mơ hình động cơ servo cho thấy mối quan hệ từ dịng điện đến mơmen xoắn Mơmen xoắn làm cho trục của động cơ quay và chúng cĩ mối quan hệ giữa việc quay này với sức điện động. Các thơng số cịn lại bao gồm quán tính trục, ma sát nhớt (giảm chấn), điện trở phần ứng và điện cảm phần ứng.
Động cơ servo được cấu thành bởi những hệ thống hồi tiếp vịng kín và tín hiệu đầu ra của động cơ, chúng được nối với một mạch điều khiển. Khi động cơ hoạt động thì vận tốc và vị trí sẽ nhanh chĩng được hồi tiếp về mạch điện điều khiển ban đầu này.
Tín hiệu điều khiển động cơ servo dựa vào dữ liệu lưu lượng chương trình điều khiển chuyển động, bộ điều khiển nhận tín hiệu để thực hiện một dạng chuyển động nhất định. Tín hiệu từ bộ điều khiển chuyển động gởi tới bộ điều khiển động cơ servo cĩ nhiều dạng như:
- Điện áp một chiều dạng tương tự (-12DVC đến +12 DVC) - Dãy xung
- Gĩi dữ liệu qua mạng.
Hình 5.4.Mơ hình động cơ servo tổng quát trong MATLAB
Chỗ khối tín hiệu đầu vào encoder chúng ta sẽ cài đặt gĩc quay cho động cơ thơng qua tính tốn gĩc quay của nĩ (rad/s). Với tính tốn ở trên, tốc độ động cơ khoảng 1500 (vịng/phút), ta cĩ được sơ đồ đáp ứng động cơ như sau.
Hình 5.5.Sơ đồ đáp ứng của tốc độ động cơ (rad/s)
Như sơ đồ trên ta thấy đường màu đỏ là đường đặc tính chuẩn của động cơ, đường màu xanh là tốc độ của động cơ trong quá trình thực hiện. Từ sơ đồ trên nhận thấy rằng tốc độ của động cơ đáp ứng được với yêu cầu cầu bài tốn (hình 6.5).
Trục vít me quay với tốc độ 500 (vịng/phút) và hành trình di chuyển của trục vít theo tính tốn cũng đáp ứng được gía trị mơ phỏng trên sơ đồ (hình 6.6).
Như đã tính tốn ở trên, mối quan hệ giữa tốc độ di chuyển của trục vít được cho bởi cơng thức: h 2 1 h 2 0 P H . 2 P H . dt 2 Trong đĩ: H là hành trình di chuyển của trục vít (m) Ph là bước của vít me bi – đai ốc (m)
ω2 là tốc độ quay của trục vít me bi – đai ốc (rpm/min)
Hình 5.7.Hành trình di chuyển của trục vít(m)
Vận tốc phun dài của trục vít trong khoảng thời gian 1s cũng đáp ứng.
Khi đã đáp ứng được các giá trị về tốc độ động cơ, hành trình trục vít, vận tốc phun dài, chúng ta sẽ kiểm nghiệm lưu lượng phun và thể tích phun. Vì ở q trình phun, trục vít chỉ chuyển động tịnh tiến và đường kính trục vít phun phía đầu phun gần như khơng thay đổi, nên ta lấy chính xác giá trị của đường kính trục vít Dtv = 22mm để tính tốn.
Gọi Q là lưu lượng phun trong khoảng thời gian 1s ta cĩ: Q = A.V (m3/s) Trong đĩ A là diện tích quét của trục vít (m2).
2 2 2 tv .D .0,022 A 0,00038(m ) 4 4 V là vận tốc phun dài (m/s). V = 0,1 (m/s)
Hay Q cũng được viết lại theo cơng thức sau:
3 dH Q A. (m / s) dt (5.5) Vậy Q = 0,1 . 0,00038 = 3.8.10-5(m3/s).
Hình 5.8.Lưu lượng phun của trục vít phun (m3/s)
Nhìn vào đồ thị ta nhận thấy rằng giá trị lưu lượng phun đáp ứng được yêu cầu tính tốn.
Thể tích phun trong khoảng thời gian phun 01 giây được tính tốn thơng qua cơng thức. 1 3 t 0 V Qdt(cm ) (5.6)
Hình 5.9.Thể tích phun của trục vít (cm3)
5.3. Chế tạo cụm mơ hình
5.3.1. Chọn cấu kiện
5.3.1.1 Động cơ Servo
Chọn động cơ servo AC Delta ASDA – A2 2.5kW cĩ các thơng số sau: - Model: Servo Drive ASD-A2-5543-U
- Cơng suất: 2,5 kW
- Model: ECMA-L11855P3 - Tốc độ 1500 vịng/phút - Độ phân giải Encoder 20 bit.
- Đầu nối cấp nguồn cho motor: ASD-CAPW2000 - Đầu nối cáp Encoder: ASDBCAEN1000
- Đầu kết nối điều khiển I/O: ASD-CNSC0050
5.3.1.2 Động cơ thường
Chọn động cơ thường KAYC cĩ các thơng số sau: - Model: KAYC-IP44
- Cơng suất: 2,5 kW - Mơ tơ điện 1 pha 220V - Tốc độ 1450 vịng/phút
5.3.1.3 Vít me bi – đai ốc
Chọn vít me bi – đai ốc cĩ đường kính ngồi d1 = 20mm và bước vít p = 10mm.
Hình 5.10.Bộ truyền vít me – đai ốc bi[56] 5.3.1.4 Encoder
Chọn Encoder Omron E3B2-CWZ6C.
Hình 5.11.Encoder xác định số vịng quay[55] 5.3.1.5 Thước quang
Chọn thước quang Mitutoyo cĩ hành trình 300mm, cĩ độ chính xác ±5μm ở nhiệt độ 20oC.
Hình 5.12.Thước quang Mitutoyo[57] 5.3.1.6 Bộ điều khiển PLC
Sử dụng bộ điều khiển PLC MITSUBISHI FX1N-60MT-001 để điều khiển cho động cơ thường, servo và Encoder.
Hình 5.13.Bộ điều khiển PLC FX1N-60MT-001[58]
5.3.2. Cách thực hiện thực nghiệm
5.3.2.1 Thực nghiệm sai lệch vị trí giữa động cơ servo và động cơ thường
Thực hiện mơ hình thực nghiệm trên 2 loại động cơ: Động cơ thường và động cơ servo, với mỗi loại động cơ sẽ cố định số vịng quay giống nhau. Để xác định được số vịng quay của động cơ thường thì sử dụng encoder Omron E3B2-CWZ6C. Đối với động cơ servo thì sử dụng driver phát xung điều khiển số vịng quay.
Cố định khoảng hành trình di chuyển của trục vít, tương ứng với khoảng dịch chuyển của tồn bộ cụm phun. Sử dụng vít me bi – đai ốc với bước vít cố định để xác định hành trình dịch chuyển. Trong sơ đồ thí nghiệm sử dụng loại vít me đai ốc cĩ đường kính ngồi d1 = 20mm, và bước vít b = 10mm. Như vậy, tương ứng với một vịng quay của vít me thì đai ốc tịnh tiến được 10mm.
Sử dụng thước quang Mitutoyo cĩ hành trình 300mm, cĩ độ chính xác ±5μm ở nhiệt độ 20oC để xác định sai lệch vị trí, cấu tạo của thước quang bao gồm màn hình hiển thị và đầu dị vị trí để kiểm tra sai số.
Thực hiện hành trình phun 100mm và thực hiện đo sai số vị trí bằng thước quang. Cần thực hiện 10 lần cho mỗi loại động cơ.
5.3.2.2 Thực nghiệm xác định giá trị vận tốc phun so với máy chuẩn Fanuc
Mơ hình thực nghiệm như thực hiện trên, nhưng ở đây chỉ chỉ đo vận tốc của trục vít me – đai ốc (mm/s) được điều khiển bởi động cơ servo trong khoảng thời gian cố định là 1 giây. Cĩ nhiều cách để đo vận tốc của trục vít me bi – đai ốc, ví dụ như sử dụng cảm biến LVDT. Ở nghiên cứu này sử dụng encoder Omron E3B2-CWZ6C và PLC MITSUBISHI FX1N-60MT-001 cùng màn hình cảm ứng GOT 1000 để xác định giá trị vận tốc tại từng thời điểm của vít me bi đai ốc.
Tương ứng với những điểm thời gian khác nhau thì vận tốc của vít me bi – đai ốc sẽ tương ứng khác nhau, trong nghiên cứu này cần hiển thị vận tốc tại các thời điểm từ 0,1 – 0,2 – 0,3 – 0,4 – 0,5 – 0,6 – 0,7 – 0,8 – 0,9 – 01 giây.
Hình 5.14.Mơ hình thực nghiệm thực tế 5.3.2.3 Giá trị máy chuẩn Fanuc 5.3.2.3 Giá trị máy chuẩn Fanuc
Điều khiển cao là điều khiển dịng nhựa vào chính xác ( đối với một số sản phẩm cần chính xác, như sản phẩm quang học,…), lúc đĩ cần kiểm sốt hành trình của trục vít, kiểm sốt lực ép. Để kiểm sốt được tốt chính xác thì hiện tại đang dùng động cơ servo.
Số liệu máy chuẩn được lấy từ catalog của hãng máy Fanuc, với model máy đúc ép nhựa là S-2000i30A.
Hình 5.15.Số liệu máy chuẩn Fanuc từ catalog [61]
Hình 5.16.Đồ thị vận tốc phun của máy chuẩn Fanuc [61]
Trong quá trình thực nghiệm, cĩ đánh giá tải trọng của cụm phun, tổng khối lượng của cụm phun là 50kg, sau khi thu nhỏ mơ hình về một nữa thì khối lượng cịn lại là 25kg.
Chương 6. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 6.1. Thiết kế cụm kẹp 6.1. Thiết kế cụm kẹp
6.1.1. Cơ cấu kẹp được thiết kế tối ưu
Với mơ hình tính tốn đã thiết lập ở trên, giá trị của các thơng số tối ưu thu được bằng mơ phỏng như sau: AC = 106 mm, BC = 119 mm, α1 = 3,04 °; α2 = 2,76 °; α3 =
13,8 °; β = 4,2 °; CD = 45 mm; DE = 50 mm; EG = 43,65 mm và tỷ lệ khuếch đại lực
là 129,4, trong đĩ các thơng số đầu vào bao gồm lực kẹp tối đa là 30 tấn, độ dày tấm khuơn 30mm, diện tích tiết diện của các liên kết là 9 cm2 và đường kính thanh dẫn hướng là 28mm. Mơ tả lực kẹp và tỷ lệ khuếch đại lực như một hàm của gĩc tay quay (α1) được vẽ trong hình 6.1(a) và hình 6.1(b). Cĩ thể nhận thấy rằng lực kẹp đầu nhỏ hơn nhiều sau khi tối ưu hĩa và lực kẹp tăng khi giá trị của gĩc tay quay giảm. Việc tăng lên đến 30 tấn xảy ra khi khuơn chuyển động bắt đầu tiếp xúc với khuơn cố định. Giá trị tối ưu của tỷ lệ khuếch đại lực lớn hơn bốn lần so với thiết kế sơ bộ.
Hình 6.2 cho thấy tỷ lệ khuếch đại tốc độ (Kv) giữa khuơn di động và trục khuỷu dưới dạng một hàm của gĩc tay quay, trong khi Kvmax và Kvmin đại diện cho cực đại cục bộ và cực tiểu cục bộ trong đường cong Kv. Theo mơ hình đề xuất, tỷ số Kvmax/ Kvmin thể hiện độ êm dịu chuyển động của khuơn di động [24]. Trong hình 7.2, tỷ số Kvmax/Kvmin của mơ hình tối ưu là 1,15, giá trị đĩ nhỏ hơn thiết kế sơ bộ là 1,298. Cĩ thể thấy rằng thiết kế tối ưu cĩ chuyển động của khuơn di chuyển mượt mà hơn và hiệu suất động học tốt hơn so với thiết kế sơ bộ.
Hành trình của trục khuỷu của thiết kế sơ bộ và tối ưu như một hàm của thời gian được thể hiện trong hình 6.3. Ở đây, tỷ số hành trình giữa khuơn di động và trục khuỷu là Kd, đại diện cho hiệu quả của cơ cấu. Tỷ số giữa hành trình của khuơn di động và hành trình của trục khuỷu càng lớn càng tốt [24]. Trong hình 6.3, với hành trình của khuơn di động là 150mm, giá trị Kd sơ bộ của thiết kế sơ bộ là 0,86 nhỏ hơn giá trị Kd tối ưu của thiết kế tối ưu là 0,886, cĩ nghĩa là hành trình của trục khuỷu của thiết kế tối ưu ngắn hơn thiết kế sơ bộ, thơng qua việc cải thiện hiệu quả của cơ chế. Nĩi cách khác, thiết kế tối ưu hoạt động ổn định với mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn và chi phí thấp hơn so với thiết kế sơ bộ.
(a) (b)
Hình 6.1.Lực tối ưu (a) và tỷ lệ khuếch đại lực (b) của cơ cấu kẹp
Hình 6.3. Hành trình của trục khuỷu của thiết kế sơ bộ và tối ưu
Hình 6.4.Giá trị của gĩc sơ bộ và tối ưu hĩa
Hình 6.4 mơ tả ảnh hưởng của gĩc liên kết theo thời gian. Nĩi chung, giá trị gĩc tối ưu nhỏ hơn giá trị gĩc sơ bộ. Tuy nhiên, gĩc β cho thấy sự khác biệt lớn giữa giá trị tối ưu và giá trị sơ bộ. Các giá trị gĩc tới hạn phù hợp tốt với các nghiên cứu trước đây
được xử lý bởi mơ phỏng Matlab [26, 28], với các giá trị tới hạn α lần lượt là 3,32o và 3,193o.
Hình 6.5 cho thấy mối quan hệ giữa các gĩc liên kết và tỷ lệ khuếch đại lực. Lực kẹp tăng mạnh khi các gĩc di chuyển về phía các giá trị tới hạn. Kết quả mơ phỏng cho thấy sự phù hợp rất tốt với tính tốn lý thuyết. Ngồi ra, các gĩc α1 và α2 đại diện cho tác động đáng kể đến tỷ lệ khuếch đại lực so với gĩc β. Cĩ thể kết luận rằng việc xác định gĩc tới hạn tối ưu sẽ tạo ra lực kẹp lớn và đây được coi là một lợi thế cho cơ cấu kẹp đĩng mở.
Mối quan hệ giữa khoảng cách di chuyển và các gĩc của cơ cấu chuyển đổi được trình bày trong hình 6.6. Biểu đồ cho thấy rằng ảnh hưởng của gĩc β lên hành trình của tấm khuơn di động nhỏ hơn nhiều so với α1 và α2. Hơn nữa, khi gĩc di chuyển đến các giá trị tới hạn, tốc độ di chuyển chậm hơn. Điều này cho thấy hệ thống cơ chế tối ưu hoạt động trơn tru và ổn định.
Hình 6.5.Mối quan hệ tỉ số giữa độ khuếch đại lực và các gĩc ban đầu của các liên kết.
Hình 6.6.Mối quan hệ giữa các gĩc và hành trình của khuơn chuyển động
6.1.2. Kiểm tra độ bền của cơ cấu kẹp
Mối quan hệ giữa các lực kẹp từ 10 tấn đến 50 tấn và các kích thước chính như chiều dày tấm khuơn di động, đường kính trục dẫn hướng và tiết diện trung bình của các liên kết được thể hiện trong hình 6.7. Ứng suất sử dụng cho tính tốn lý thuyết và mơ phỏng số khi so sánh với ứng suất cho phép chênh lệch khoảng 2,5% và hệ số an tồn khơng được đưa vào cho nghiên cứu. Rõ ràng, kích thước chính tăng lên theo các lực kẹp. Sự khác biệt giữa tính tốn lý thuyết và mơ phỏng về độ dày tấm khuơn di động, đường kính trục dẫn hướng và tiết diện liên kết trung bình lần lượt là 4,4%, 1,7% và 11,8%. Nĩi chung, lực kẹp tỷ lệ tuyến tính với mặt cắt liên kết trung bình, trong khi chúng được phát hiện là khơng tuyến tính với độ dày tấm khuơn di động và đường kính trục dẫn hướng đối với lực kẹp nhỏ hơn. Các giá trị chi tiết của các kích thước chính tương ứng với lực kẹp được trình bày trong hình 6.7.
Hình 6.7.Mối quan hệ giữa lực kẹp và kích thước chính của cơ cấu kẹp
Để cĩ cái nhìn sâu sắc về hình ảnh, hình 6.8 đến hình 6.11 cung cấp kết quả mơ